KR101196357B1 - 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치 - Google Patents

에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기력발전소의 냉각수 방류흐름, 농업용 저수지 방류수 흐름, 농수로 흐름, 농업용보 방류수 흐름, 양식장의 방류수 흐름, 대댐의 하천유지용수 흐름, 하천의 흐름, 바닷물의 흐름 등을 이용하여 기존 물 관련시설의 미활용 방류수를 이용할 수 있으므로 수력잠재량이 매우 크고, 물의 밀도가 크기 때문에 작은 유속으로도 많은 에너지를 생산할 수 있으며, 댐이 없이도 가능하기 때문에 하천생태계 및 환경에 영향을 주지 않는 특징이 있다.

Description

에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치{Energy integration with Magnetism-operation of Vertical axis a Water current Hydraulic turbine}
본 발명은 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기력발전소의 냉각수 방류흐름, 농업용 저수지 방류수 흐름, 농수로 흐름, 농업용보 방류수 흐름, 양식장의 방류수 흐름, 대댐의 하천유지용수 흐름, 하천의 흐름, 바닷물의 흐름 등을 이용하여 기존 물 관련시설의 미활용 방류수를 이용할 수 있으므로 수력잠재량이 매우 크고, 물의 밀도가 크기 때문에 작은 유속으로도 많은 에너지를 생산할 수 있으며, 댐이 없이도 가능하기 때문에 하천생태계 및 환경에 영향을 주지 않는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치에 관한 것이다.
일반적인 수력발전방식은 댐에 갇혀진 물을 수압관을 통하여 수차에 공급하는 방식을 통하여 수차를 가동시키게 된다.
이 과정에서 방류되는 물은 수압관을 통하여 수차에 공급되기 때문에 원활히 이용하는데에는 제한이 발생한다.
이와 같은, 소 수력개발의 장해요인을 극복하고 소수력발전소 건설을 확산시키기 위해서는 현실적으로 환경오염에 대한 문제가 해결된 기존의 물 관련설비를 이용하는 방안을 강구할 필요가 있다.
이렇듯, 기존의 수력발전은 물의 위치에너지를 이용하므로 적합한 입지가 제한되고, 그로 인해 작은 유속으로 많은 에너지를 생산할 수 없으며, 댐에 의해 하천생태계 및 환경에 영향을 주고, 하천뿐 아니라 기존 물 관련시설의 미활용 방류수를 이용할 수 없어 설비비용이 증가하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 기존의 소수력발전방식의 단점을 보완할 수 있는 다른 방식을 소수력발전을 다음과 같이 검토할 필요가 있다.
발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,
기력발전소의 냉각수 방류흐름, 농업용 저수지 방류수 흐름, 농수로 흐름, 농업용보 방류수 흐름, 양식장의 방류수 흐름, 대댐의 하천유지용수 흐름, 하천의 흐름, 바닷물의 흐름 등을 이용하여 기존 물 관련시설의 미활용 방류수를 이용할 수 있으므로 수력잠재량이 매우 크고, 물의 밀도가 크기 때문에 작은 유속으로도 많은 에너지를 생산할 수 있으며, 댐이 없이도 가능하기 때문에 하천생태계 및 환경에 영향을 주지 않는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 유체가 유입되는 유입부와, 상기 유입부와 일체형으로 형성되어 유입부를 통해 유입된 유체의 흐름 속도를 증가시키는 수축부와, 상기 수축부와 일체형으로 형성되어 유체가 배출되는 배출부로 구성되는 유체 흐름에너지 증가장치와;
상기 유체 흐름에너지 증가장치의 배출부에 설치되어 유체에 의해 회전에너지가 발생되는 자력가동식 수직축 수류수차와;
상기 자력가동식 수직축 수류수차와 연결되어 자력가동식 수직축 수류수차의 회전에너지에 의해 발전되는 발전장치;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치는 기력발전소의 냉각수 방류흐름, 농업용 저수지 방류수 흐름, 농수로 흐름, 농업용보 방류수 흐름, 양식장의 방류수 흐름, 대댐의 하천유지용수 흐름, 하천의 흐름, 바닷물의 흐름 등을 이용하여 기존 물 관련시설의 미활용 방류수를 이용할 수 있으므로 수력잠재량이 매우 크고, 물의 밀도가 크기 때문에 작은 유속으로도 많은 에너지를 생산할 수 있으며, 댐이 없이도 가능하기 때문에 하천생태계 및 환경에 영향을 주지 않는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차 장치를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차 장치를 나타낸 평면도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차 장치를 나타낸 정면도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차를 나타낸 평면 단면도이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 유체가 유입되는 유입부와, 상기 유입부와 일체형으로 형성되어 유입부를 통해 유입된 유체의 흐름 속도를 증가시키는 수축부와, 상기 수축부와 일체형으로 형성되어 유체가 배출되는 배출부로 구성되는 유체 흐름에너지 증가장치와;
상기 유체 흐름에너지 증가장치의 배출부에 설치되어 유체에 의해 회전에너지가 발생되는 자력가동식 수직축 수류수차와;
상기 자력가동식 수직축 수류수차와 연결되어 자력가동식 수직축 수류수차의 회전에너지에 의해 발전되는 발전장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차 장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차 장치를 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차 장치를 나타낸 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 수류수차를 나타낸 평면 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치는 물(유체)의 흐름으로부터 수력에너지를 효과적으로 추출할 수 있는 장치로써, 유체 흐름에너지 증가장치(70)와, 자력가동식 수직축 수류수차(60)와, 발전장치(80)로 구성된다.
상기 유체 흐름에너지 증가장치(70)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 3차원의 4각단면을 갖는 형태로써, 유체가 유입되는 유입부(71)와, 상기 유입부(71)와 일체형으로 형성되어 유입부(71)를 통해 유입된 유체의 흐름 속도를 증가시키는 수축부(72)와, 상기 수축부(72)와 일체형으로 형성되어 유체가 배출되는 배출부(73)로 3구획으로 구분되어 구성된다.
여기서, 상기 유체 흐름에너지 증가장치(70)는 유입부(71)와 수축부(72)와 배출부(73)가 하나의 케이스로 이루어지고, 상기 유입부(71) 측의 케이스는 입구 측에서 길이방향으로 갈수록 좁혀지는 형태로 형성되며, 끝단부에 수축부(72)가 연결되어 수축부(72)에서 유체의 흐름속도가 증가하며, 상기 배출부(73) 측의 케이스는 자력가동식 수직축 수류수차(60)에 유체가 용이하게 전달되도록 수축부(72)의 끝단부에서 길이방향으로 갈수록 확관되는 형태로 형성된다.
즉, 상기 유체 흐름에너지 증가장치(70)는 평면상 도 2에서처럼 개수로형 벤튜리(venturi) 형태로 형성되어 유속을 증가시켜 배출부(73)에 설치된 자력가동식 수직축 수류수차(60)가 소형이라도 더 많은 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 자력가동식 수직축 수류수차(60)는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 회전축(10)과, 허브(20)와, 지지대(30)와, 반동형 깃(40)과, 충동형 깃(50)으로 구성된다.
상기 회전축(10)은 도 1과 도 3에 도시한 바와 같이, 수직으로 형성되어 에너지를 전달하는 축으로 유체 흐름에너지 증가장치(70)의 배출부(73)에 설치되고, 상기 반동형 깃(40)과 충동형 깃(50)에서 전달된 회전에너지를 외측에 설치된 발전기(미도시)에 전달하여 전력을 발전시키는 것이다. 이때, 상기 회전축(10)은 수직뿐만 아니라 설치위치와 사용처에 따라 수평, 대각선 등 다양하게 설치할 수 있다.
상기 허브(20)는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 회전축(10)의 상,하 양끝단부에 상호 소정간격으로 이격되어 설치되는데, 상기 허브(20)는 회전축(10)의 외주연에 일체형으로 형성되며, 원형 판으로 형성되어 회전에 용이하다.
여기서, 상기 상,하 허브(20)의 각각에 도 1에서처럼 지지대(30)가 설치되는데, 상기 지지대(30)는 허브(20)의 외주연에 방사상으로 다수개 설치된다. 이때, 상기 지지대(30)는 반동형 깃(40)의 회전력을 허브(20)에 전달하는 장치로써, 회전력이 반감되지 않는 다양한 형태로 형성된다.
또한, 상기 지지대(30)는 상,하가 상호 한쌍으로 동일한 개수로 형성되며, 상기 지지대(30)의 사이에 반동형 깃(40)이 연결된다.
그리고, 상기 반동형 깃(40)과 연결되는 지지대(30)는 상,하부뿐만 아니라 반동형 깃(40)의 길이에 따라 회전축(10)의 길이방향으로 소정간격 이격되어 다수개가 설치 가능하다.
상기 반동형 깃(40)은 도 1과 도 4에 도시한 바와 같이, 상,하 지지대(30) 사이에 설치되어 유체에 의해 양력이 발생되는데, 상기 유체에 의해 반동형 깃(40)이 회전되어 회전축(10)에 양력의 회전에너지를 전달하는 날개이다.
여기서, 상기 반동형 깃(40)은 상, 하 양 지지대(30)의 끝단부에 상호 연결되도록 설치되고, 도 2와 도 3을 참고하여, 단면형상이 대칭형 익형(symmetric airfoil, 비행기 날개의 단면형태)이며, 직사각형 날개(rectangular wing) 형태로써 반동형 수차의 형상으로 유체에 의한 회전 되면서 양력이 발생되는 효율이 높지만, 유체 없이 스스로 가동되지 못하는 단점이 있지만, 본 발명에서는 충동형 깃(50)을 설치함으로써, 2가지 다른 특성을 갖는 복합체인 자력가동식 수직축 수류수차(60)의 수력학적 성능을 최적화할 수 있도록 하였다.
상기 충동형 깃(50)은 도 1과 도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 허브(20)와 허브(20) 사이에 설치되어 유체에 의해 항력이 발생되고, 상기 유체에 의해 충동형 깃(50)이 회전되어 회전축에 항력의 회전에너지를 전달하는 날개이다.
여기서, 상기 충동형 깃(50)은 도 4와 도 5를 참고하여, 일측에서 이송되는 유체에 의해 용이하게 회전되도록 회전축(10)의 중앙부를 중심으로 하여 상,하단으로 나누어져 형성되고, 상단의 원호 날개와 하단의 원호 날개가 평면상 상호 크로스된 상태로 회전축(10)의 외주연 양측부에 각각 접촉되는 날개이다. 이때, 상기 충동형 깃(50)이 상,하단으로 나누어진 부위에는 상단의 충동형 깃(50)과 하단의 충동형 깃(50)이 회전시, 흔들리거나 파손되는 것을 방지하면서 잡아주기 위해 허브(20)가 더 설치된다.
즉, 상기 회전축(10)에 장착된 충동형 깃(50)은 원호(circular arc) 단면이며, 반실린더(half cylinder) 형태로써 충동형 수차의 형상이다.
그리고, 상기 회전축(10)에 장착된 충동형 깃(50)은 가동 토크를 많이 발생시키므로 초기에는 자력가동용으로 사용되며, 가동 후에는 충동형 깃(50)에서 발생하는 항력을 이용하여 구동되는 충동형 수차로써 보조 역할을 하고, 자력가동능력이 없는 반동형 깃(40)은 충동형 깃(50)의 도움으로 가동한 후 깃에서 발생하는 양력을 이용하여 자력가동식 수직축 수류수차(60)의 주된 출력원의 역할을 담당한다.
또한, 상기 반동형 깃(40)과 충동형 깃(50)의 직경은 각각의 수차에 적합한 날개 끝 속도 비가 조화되어 성능저하를 방지할 수 있는 크기로 한다.
이하에서는 도 3을 참고하여, 반동형 깃(40)과 충동형 깃(50)의 구동특성에 대해 기술하기로 한다.
우선, 본 발명의 자력기동식 수직축 수류수차(60)는 반동형 깃(40)과 충동형 깃(50)을 사용한다. 여기서, 상기 충동형 깃(50)은 반동형 깃(40)과는 달리 항력형 수차로써 작동원리가 서로 다른 두 가지 종류의 수차를 구성하는 기술은 매우 중요하다.
여기서, 구동특성이 서로 다른 2가지 종류의 수차가 조합되어 운전되기 때문에 상호 간의 수력학적 특성이 정확히 조화되지 않을 경우 효과가 급격히 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 반동형 깃(40)의 날개 끝 속도 비와 자력시동용 충동형 깃(50)의 날개 끝 속도 비를 동화시켜 2가지 다른 특성을 갖는 복합체인 자력가동식 수직축 수류수차(60)의 수력학적 성능을 최적화한다.
그리고, 상기 반동형 깃(40)에 있어서 흐름을 회전축에 수직인 단면상에서 볼 때 방위각(azimuth angle, θ)의 변화에 대한 받음각(angle of attack, α)와 유체역학적인 힘, 즉 양력과 항력과의 관계를 도면 3과 같이 표시할 수 있다.
이렇듯, 수차가 일정한 각속도 Ω로 회전한다고 하면, 반동형 깃(40)의 국부선속도 r Ω가 유도속도 V보다 크게 되는 실속이전의 상태에서는 회전경로에 대한 양력의 접선방향의 성분에 의해 회전력을 얻게 된다. 그러나 유도속도 V가 국부선속도 r Ω보다 크게 되면 받음각은 방위각에 따라서 0°에서 ±180°범위에서 변하므로 국부적으로는 실속상태에 빠지게 되거나 반동형 깃의 뒷전(trailing edge)으로부터 흐름이 진입되기도 한다.
그렇기에, 상기 반동형 깃(40)은 발생하는 양력을 이용하여 구동되는 수차로써 대칭익형을 사용하며, 효율은 높지만 스스로 기동하지 못하는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 본 발명에서 제안한 자력가동식 수직축 수류수차(60)는 자력기동을 위한 충동형 깃(50)과 반동형 깃(40)을 결합한 것으로, 구동특성이 서로 다른 2가지 종류의 수차가 조합되어 효과적으로 운전하기 위하여 반동형 깃(40)의 날개 끝 속도 비와 충동형 깃(50)의 날개 끝 속도 비를 동화시키는 크기로 정하여 2가지 다른 특성을 갖는 복합체인 자력가동식 수직축 수류수차(60)의 수력학적 성능을 최적화할 수 있도록 하였다.
상기 발전장치(80)는 도 3에 도시한 바와 같이, 자력가동식 수직축 수류수차(60)와 연결되어 자력가동식 수직축 수류수차(60)의 회전에너지에 의해 발전된다.
여기서, 상기 발전장치(80)는 유체 흐름에너지 증가장치(70)의 외부 즉, 별도의 공간에 설치되거나 도면처럼 상기 유체 흐름에너지 증가장치(70)의 상부면에 구비되는 등 다양한 공간에 설치 가능하다.
그리고, 상기 발전장치(80)는 동력전달장치(81)와, 발전기(84)로 구성되는데, 상기 동력전달장치(81)는 말 그대로 자력가동식 수직축 수류수차(60)에서 발생된 회전에너지를 발전기(84)에 전달하는 장치로써, 상기 자력가동식 수직축 수류수차(60)의 회전축(10)과 연결되어 회전에너지를 전달하도록 다수개의 기어(82)와 연결벨트(83)로 구성된다. 이때, 상기 기어(82)와 연결벨트(83)는 발전장치(80) 및/또는 유체 흐름에너지 증가장치(70)의 설치 위치, 공간, 조건에 따라 개수 및 형태, 종류가 변경 가능하다.
또한, 상기 발전기(84)는 통상적으로 사용되는 발전기로써, 상기 동력전달장치(81)에 의해 연결되어 전달된 회전에너지를 전력으로 발전시키는 장치이기에 별도의 기술은 더 이상 하지 않는다.
10 : 회전축 20 : 허브
30 : 지지대 40 : 반동형 깃
50 : 충동형 깃 60 : 자력가동식 수직축 수류수차
70 : 유체 흐름에너지 증가장치 71 : 유입부
72 : 수축부 73 : 배출부
80 : 발전장치 81 : 동력전달장치
82 : 기어 83 : 연결벨트
84 : 발전기

Claims (7)

  1. 유체가 유입되는 유입부(71)와, 상기 유입부(71)와 일체형으로 형성되어 유입부(71)를 통해 유입된 유체의 흐름 속도를 증가시키는 수축부(72)와, 상기 수축부(72)와 일체형으로 형성되어 유체가 배출되는 배출부(73)로 구성되는 유체 흐름에너지 증가장치(70)와;
    상기 유체 흐름에너지 증가장치(70)의 배출부(73)에 설치되어 유체에 의해 회전에너지가 발생되는 자력가동식 수직축 수류수차(60)와;
    상기 자력가동식 수직축 수류수차(60)와 연결되어 자력가동식 수직축 수류수차(60) 회전에너지에 의해 발전되는 발전장치(80);를 포함하여 구성되고,
    상기 자력가동식 수직축 수류수차(60)는, 유체 흐름에너지 증가장치(70)의 배출부(73)에 수직으로 설치되고, 끝단부가 발전장치(80)와 연결되어 반동형 깃(40)과 충동형 깃(50)에서 전달된 회전에너지를 전달하는 회전축(10)과;
    상기 회전축(10)의 상,하 양끝단부에 상호 이격되어 설치되는 허브(20)와;
    상기 각각의 허브(20) 외주연에 방사상으로 다수개 설치되는 지지대(30)와;
    상기 상,하 지지대(30) 사이에 설치되어 유체에 의해 양력이 발생되고, 상기 유체에 의해 회전되어 회전축(10)에 양력의 회전에너지를 전달하는 반동형 깃(40)과;
    상기 허브(20)와 허브(20) 사이에 설치되어 유체에 의해 항력이 발생되고, 상기 유체에 의해 회전되어 회전축(10)에 항력의 회전에너지를 전달하는 충동형 깃(50);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반동형 깃(40)은 상, 하 양 지지대(30)의 끝단부에 상호 연결되도록 설치되고, 단면상 대칭익형 형태의 날개로 형성되어 유체에 의한 회전에 의해 양력이 발생되는 것을 특징으로 하는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 충동형 깃(50)은 양끝단부가 허브(20)와 허브(20) 사이에 연결되되, 상기 회전축(10)의 외주연에 길이방향으로 형성되고, 상기 회전축(10)의 외주연 양측부와 접촉되어 수평면상 원호(圓弧) 형태의 날개로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 충동형 깃(50)은 일측에서 이송되는 유체에 의해 용이하게 회전되도록 회전축(10)의 중앙부를 중심하여 상,하단으로 나누어져 형성되고, 상단의 원호 날개와 하단의 원호 날개가 평면상 상호 크로스된 상태로 회전축(10)의 외주연 양측부에 각각 접촉되는 것을 특징으로 하는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 흐름에너지 증가장치(70)는 유입부(71)와 수축부(72)와 배출부(73)가 하나의 케이스로 이루어지고, 상기 유입부(71) 측의 케이스는 길이방향으로 갈수록 좁혀지는 형태로 형성되어 수축부(72)에서 유체의 흐름속도가 증가하며, 상기 배출부(73) 측의 케이스는 자력가동식 수직축 수류수차(60)에 유체가 용이하게 전달되도록 길이방향으로 갈수록 확관되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발전장치(80)는 유체 흐름에너지 증가장치(70)의 외부에 설치되되,
    상기 자력가동식 수직축 수류수차(60)와 연결되어 회전에너지를 전달하도록 다수개의 기어(82)와 연결벨트(83)로 구성되는 동력전달장치(81)와;
    상기 동력전달장치(81)에 의해 연결되어 전달된 회전에너지를 전력으로 발전시키는 발전기(84);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 집약형 자력가동식 수직축 수류수차 장치.
  7. 삭제
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